Изучение процесса карстообразования методом физико-химического моделирования на территории Ковровского завода Владимирской области
Международная
публикация
ART 54315
УДК
001
Ю.
В. ГусевБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Гусев
Ю.
В.,
Акинфиев
Н.
Н.,
Лисёнков
А.
Б. Изучение процесса карстообразования методом физико-химического моделирования на территории Ковровского завода Владимирской области // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
276–280. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54315.htm.
Аннотация. Карбонатные породы одного состава в разных условиях (при различных температурах, в присутствии углекислого газа и кислорода) растворяются с разной интенсивностью. Это явление порождает негативные физико-геологические процессы (карстообразование, часто сопровождающееся суффозией). Для изучения особенностей растворения карбонатных пород в разных условиях была создана термодинамическая модель взаимодействия в системе вода – порода. Полученные в результате моделирования равновесные составы водного раствора и породы позволяют прогнозировать процессы карстообразования при изменении внешних условий.
Текст статьи
ГусевЮрий Викторович,
аспиранткафедры гидрогеологии,ГБОУ ВПО«Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе»(МГРИРГГРУ), г.Москваskifolog90@mail.ru
АкинфиевНиколайНиколаевич,доктор химических наук, профессор кафедры химии,ГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе» (МГРИРГГРУ), г. Москваakinfiev@igem.ru
ЛисёнковАлександрБорисович,доктор геологоминералогических наук, профессор кафедры гидрогеологии,ГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе» (МГРИРГГРУ), г. Москва lisenkov.rsgpu@mail.ru
Изучениепроцесса карстообразованияметодом физикохимического моделирования на территории Ковровского завода Владимирской области
Аннотация.Карбонатные породы одного состава в разных условиях (при различных температурах, в присутствии углекислого газа и кислорода) растворяются с разной интенсивностью. Это явление порождает негативные физико–геологические процессы (карстообразование, часто сопровождающееся суффозией). Для изучения особенностей растворения карбонатных пород в разных условияхбыла создана термодинамическая модель взаимодействия в системе вода–порода. Полученные в результате моделирования равновесные составы водного раствора и породы позволяют прогнозировать процессы карстообразования при изменении внешних условий. Ключевые слова:карст,физикохимическое моделирование,программаHСh,карбонатные породы.
Прогноз экзогенных геологических процессов в особенности карста–одна из важнейших задач инженерной геологии, гидрогеологии и гидрогеохимии. Актуальность её исследования увеличивается по мере усиления техногенного воздействия человека на экосистему. Произошедшие аварии, связанные с карстопроявлением, свидетельствуют, что часто применяемые методы исследования хотя и весьма информативны, но не позволяют эффективно прогнозировать и предотвращать возможность карстобразования.Для решения проблемы предсказания неблагоприятного воздействия карста в настоящей работе предлагается применить метод термодинамического физикохимического моделирования. В качестве объекта исследования рассмотрена территория строящегосяКовровского сталепрокатного завода, расположенного в 9км к юго–востоку от г. Ковров (Ковровский район Владимирской области).Поверхностные проявления карста на территории Владимирская область по уточненным данным известны на площади 1V,1 тыс. км2, что составляет 55% территории области. По неполным данным с 1930 г. в области зафиксировано 58 случаев образования карстовых воронок и провалов [1].Так же были зафиксированы карстовые провалыи в соседней Нижегородской области. В г. Дзержинск 15 июля 1992 г. в 5:20 образовался катастрофический провал диаметром 32 м и глубиной 10 м под корпусом №1 завода «Дзержинскхиммаш».Последний зафиксированный карстовый провал произошел 10 апреля 2013годав п.Бутурлино Нижегородской области(рис. 1). Сначала образовалась воронка диаметром T0 м, после чего она разрослась до 85 м (глубина около 1T м).
Рис. 1.Карстовый провал в п. Бутурлино (2013 г.)
Постановка задачиПредметом рассмотрения являютсямассивы карбонатных пород гжельского яруса верхнего карбонана глубинах 10–20 и 50–V0 м,которые чаще всего, являются основанием для инженерных сооружений, или средой для размещения подземных коммуникаций в рассматриваемом районе. Выбор указанных интервалов актуален, в связи с тем, что они являются потенциально опасными с позиции карстообразования. В интервале 10–20 м отмечается контакт четвертичных и камменоугольных отложений и активноепоступлениеатмосферных осадков, насыщенных О2и СО2. На глубинах 50–60мзалегает уровень подземных вод гжельско–ассельского водоносного комплекса, колебаниякоторого способствуют карстообразованию и суффозии. Ковровский сталепрокатный завод будет крупным промышленным комплексом, при функционировании которого нельзя исключать формирование локальных очагов накопления агрессивных компонентов в метеорных и подземных водах. В условиях интенсивной эксплуатацииподземных вод для водоснабжения завода этот процесс может привести к изменению гидродинамических, гидрогеохимических и геотемпературных условий. И тем самым активизируется поступление агрессивной углекислоты и других химических соединений.В основе модели –детальный расчет состава водного раствора, равновесного с заданным составом вмещающих пород. Изменение состава раствора и породы в результате их взаимодействия при изменении внешних условий (температуры, состава поступающих в систему вод, содержания углекислоты и кислорода) является основой для прогнозирования процесса карстообразования.Геологическийразрез изучаемого массивадо глубины V0 м представлен отложениями четвертичного и верхнекаменноугольноговозрастов (рис. 2).Четвертичные отложения представляют собой комплекс водно–ледниковых и ледниковых отложений донского горизонта мощностью до 10 м.
Рис. 2.Схематический геологогидрогеологический разрез по скважинам 198с–2э:1 –четвертичный водоносный горизонт; 2 –водоносный карбонатный гжельско–ассельский комплекс; 3 –водоупорный щелковский терригенный горизонт;4 –скважина разведочноэксплуатационная (вверху номер ГВК, в знаменатели абс. отм. устья скважины);5 –уровень гжельско–ассельского водоносного комплекса (цифра вверху уровень подземных вод)
Верхнекаменноугольные образования сложены сильно трещиноватыми и закарстованными, а также часто окремненными, белыми, доломитизированными известняками и светлосерыми доломитами с тёмносерыми прослоями тонкозернистых глин, которые слагаютосновной (гжельско–ассельский –С3g–P1a)водоносный комплекс верхнего карбона [2].Район исследований находится в зоне развития как древнего, так и сравнительно молодого карста.Основной задачейчисленного эксперимента было определение равновесного фазового состава системы и сосуществующего с ней водного раствора при заданных элементном составе химической системы и внешних условиях (температура, давление, химические потенциалы вполне подвижных компонентов). Расчёт равновесных составов проводился с помощью программного комплекса HCh[3], предназначенного для исследования равновесий в мультисистемах. В расчётах использоваласьтермодинамическая база данных SUPCRT[4], основанная на уравнении состояния Хелгесона–Киркхэма–Флауэрса [5] для водных компонентов.
Исходные данные для физикохимического моделированияТермодинамическая модель была основана на рассмотрении равновесий в24–компонентой системе (AlBaBrCCaClCrCuFFeHKLiMgMnNNaNiOPbSSiSrZn), включающей в себя 5T минеральные фазы и 1T9компонентовводного растворакоторые могут возникнуть в системе. Коэффициент активности компонентов водного раствора рассчитывались по уравнению Дебая–Хюккеля в третьем приближении[6].Изучалось взаимодействие грунтовых вод и атмосферных осадков с породами карбонатного состава на разных глубинах. Вещественный состав карбонатных пород был определён в интервалеглубин10–20 и 50–V0 м по результатам разведочного бурения на участке, отведённом под строительство Ковровского сталепрокатного завода(табл.1).Таблица 1Результаты вещественного состава известняков в вес. %
Состав атмосферных осадков принят как средний для Владимирской области.
По химическому составу вода ультрапресная (М0,01 г/л). По Курлову воды имеют хлоридносульфатногидрокарбонатный кальциевый состав, рН5,8 (табл.2).
M0.01HCO332SO428Cl25Ca67[Na10Mg6]рH5,8.
(1)
Таблица 2Химический состав вод атмосферных осадков
Химический состав подземных вод гжельскоассельского водоносногокомплекса был принят по результатам лабораторных анализов проб воды. По химическому составу вода пресная (М0,3мг/л) гидрокарбонатная магниевокальциевая, рН7,0 (табл.3).Формула химического состава воды по Курлову:Известняк SiO2TiO2Al2O3Fe2O3MnOMgOCaOK2OСО2Глубина 10–20 м4,50,60,60,80,118,529,80,145,0Глубина 50–V0 м3,20,01,70,40,17,742,00,144,8Показатель Концентрация, мг/лHCO33,8SO42,64Cl1,7Са2+2,5Mg2+0,12NH40,59Na+0,29K+0,14pH5,8
M0.31HCO391SO428Ca54
Mg43рH7,0.
(2)
Таблица 3Химический состав вод гжельскоассельского водоносного комплекса
Результаты моделированияНиже рассмотрены результаты физикохимического моделирования системы карбонатные породы (интервал 10–20м) –атмосферные осадки и карбонатные породы (интервал 50–V0 м) –подземные воды.
Взаимодействие карбонатных пород с атмосферными осадками.Глубина 10–20 м.Моделирование выполнялось по следующей схеме. В первом варианте расчёта система рассматривалась как закрытаяпо отношению к углекислоте и кислороду атмосферы, т.е. атмосферные осадки, компонентный состав которых соответствуют табл.2,взаимодействовали с породами при условии постоянного количества поступившего в систему СО2и О2. Во втором варианте расчёта (открытая система) парциальные фугитивностигазов СО2и О2принимались постоянными, равными их давлениям в атмосфере fCO2= 3,3Па, fO2= 21000Па.Для выяснения влияния температуры на процессы карстообразованиярасчёт проводился при температурах 5 и 250С. Полученные в результате расчёта равновесные количества минеральных ассоциаций гематит–кварц–кальцит–доломит–родохрозит–калиевый–монтморилонит позволили рассчитать изменение объёма породы в процессе взаимодействия вода–порода. Изменение объёма породы приповышении температуры рассчитывалось по формуле:∆Vпор.=∑Vмин.(25℃)−∑Vмин.(5℃),
(3)где∑Vмин.(T)–общий объем породы, равный сумме объёмов минералов её составляющих, при температуре Т.Результаты расчета представлены в табл. 4.По выполненным результатам видно, что увеличение температуры (от 5 до 25 0С) в случаях открытой и закрытой системы приводит только к увеличению объёма пороПоказатель Концентрация, мг/лHCO3224,0SO410,0Cl3,0Са2+43,0Mg2+21,0NH40,1Na+1,8K+0,8Al3+0,01Ba2+0,025Cu2+0,0006Ni0,001NO34,8Sr2+0,05F0,330Cr3+0,007pH7,0ды, что отвечает кольматированию полостей в известняке, т.е. процесс карстообразования не наблюдается.
Таблица TРезультаты взаимодействия в системе вода–порода
Взаимодействие карбонатных пород с подземными водами
Глубина 50–V0 м.Аналогичная методика использоваласьпри моделировании взаимодействия карбонатных пород, залегающих на глубине 50–V0 м,с подземными водами, состав которых приведён в табл. 3.Равновесный минеральный состав породы при этом соответствовал ассоциации гематит–кварц–кальцит–доломит–родохрозит–калиевый–монтморилонит–каолинит.Результаты расчёта свидетельствуют, что увеличение температуры от 5 до 25 0С в закрытой системе приводит к незначительному увеличению объёма твёрдых фаз (на 0,02%)и, таким образом, не способствует карстообразованию.Второй вариант расчёта соответствует системе, открытой по отношению к атмосфере. В этом случае СО2и О2являлись вполне подвижными компонентами, а их парциальные фугитивности соответствовали атмосферным значением. Рассчитанный минеральный состава системы не изменился. При этомувеличение объёмаминеральных фаз составило 0,12 % при изменении температуры от 5 до 25 0С (табл.
4).Интересно сравнить также результаты расчётов в изотермических условиях для закрытой и открытой системы. «Открытие» системы по отношению к атмосфере уменьшает объем минеральной ассоциации на 2,T% при температуре 50С и на 2,9% при 250С (табл. 4), т.е. способствует образованию пустот в породе, что ведёт к карстообразованию.
ВыводыРезультаты численного экспериментапозволяют сделать ряд выводов об особенностях развития процесса карстообразования в карбонатных породах в разных условиях.1. Для исследуемого интервала глубин 10–20 м увеличение температуры не приводит к развитию карста: во всех исследуемых случаяхпроисходит увеличение объёма основных породообразующих минералов карбонатных пород, что отвечает кольматированию полостей в известняках.2. Активизация карстового процесса прогнозируется в исследуемом интервале глубин 50–V0 мпри возможностидоступа CO2и O2в систему (переход отзакрытой к открытой системе). В этом случае карбонатные породы могут быть подвержены процессу карстообразования, что вызовет осложненияпри сооружении свайных фундаментов глубокого заложения. В таком случаене рекомендуется использовать конструкцию фундамента в виде висячих свай (посколькуэто не является противокарстовым мероприятием). При неизбежности их использованиянеобходимыдополнительные инженерные изыскания или использование ленточных фундаментов или плитного монолитного железобетонного ростверка,объединяющего сваи.СистемаИзменение объема твердой фазы, %глубина 10–20 мглубина 50–V0 мЗакрытая 5–25 С0+0,001+0,02Открытая 5–25 С0+0,300+0,114Открытая–закрытая 5 С0+0,218
2,363Открытая–закрытая 25 С0+0,190
2,389Ссылки на источники1.Чурадаев В.Н. Информационный отчет по ведению государственного мониторинга состояния недр на территории Владимирской области. Владимир, 2012. 12Vс.2.ЯнкинВ.И. Поисковоразведочных работ с оценкой запасов пресных подземных вод для технического водоснабжения строящегося Ковровского сталепрокатного завода в Ковровском районе Владимирской области. М., 2011. 157с. 3.Шваров Ю.В. Hch: новые возможности термодинамического моделирования геохимических систем, предоставляемые Windows // Геохимия. 2008. № 8. С. 898–903.
4.JohnsonJ.W., Oelkers E.H., Helgeson H.C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molalthermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bars and 0to 1000C//Comp. Geosci. 1992. V. 18. P. 899–947.5.Tanger IV J.C., Helgeson H.C. Calculation of the thermodynamic and transport properties of aqueous species at high pressures and temperatures: revised equations of state for standard partial molal properties of ions and electrolytes // Amer. J. Sci. 1988. V. 288. P. 19–98. 6.Oelkers, E.H., and Helgeson, H. C.Tripleion anions and polynuclear complexingin supercritical electrolyte solution//Geochimica et Cosmochimica Acta, 1990 V. 54.P. 727–738.
Yury Gusev,graduate student hydrogeology Medical University“Russian State Geological Prospecting University Ordzhonikidze”(MGRIRGGRU), Moscow skifolog90@mail.ruNikolai Akinfiev,Doctor of Chemistry, Professor of Chemistry, Medical University “Russian State Geological Prospecting University Ordzhonikidze”(MGRIRGGRU), Moscow akinfiev@igem.ruakinfiev@igem.ruAlexander Lisenkov,Doctor of Geological and Mineralogical Sciences , Professor of Hydrogeology Medical University “Russian State Geological Prospecting University Ordzhonikidze”(MGRIRGGRU), Moscowlisenkov.rsgpu @ mail.ruThe investigation of the process of karst by methodof physical and chemical modeling on the territory on the territory of Kovrov plant of Vladimir regionAbstract. Carbonaceous rocks of one composition in various conditions (at different temperatures, in the presence of carbonic acid gas and oxygen) dissolve with diverse intensity. This phenomenon gives birth to negative physical and geological processes (karst often accompanied by suffusion). The thermodynamic model of interaction in the system of waterrock was created for study peculiarities of carbonaceous rocks` (dis) solution in various conditions. The equilibrium compositions of water solution and rock received as a result of modeling allow us to predict the processes of karst at by change external conditions.Keywords:karst,physical and chemicalmodeling,program HCh,carbonaceous rocks.
аспиранткафедры гидрогеологии,ГБОУ ВПО«Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе»(МГРИРГГРУ), г.Москваskifolog90@mail.ru
АкинфиевНиколайНиколаевич,доктор химических наук, профессор кафедры химии,ГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе» (МГРИРГГРУ), г. Москваakinfiev@igem.ru
ЛисёнковАлександрБорисович,доктор геологоминералогических наук, профессор кафедры гидрогеологии,ГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе» (МГРИРГГРУ), г. Москва lisenkov.rsgpu@mail.ru
Изучениепроцесса карстообразованияметодом физикохимического моделирования на территории Ковровского завода Владимирской области
Аннотация.Карбонатные породы одного состава в разных условиях (при различных температурах, в присутствии углекислого газа и кислорода) растворяются с разной интенсивностью. Это явление порождает негативные физико–геологические процессы (карстообразование, часто сопровождающееся суффозией). Для изучения особенностей растворения карбонатных пород в разных условияхбыла создана термодинамическая модель взаимодействия в системе вода–порода. Полученные в результате моделирования равновесные составы водного раствора и породы позволяют прогнозировать процессы карстообразования при изменении внешних условий. Ключевые слова:карст,физикохимическое моделирование,программаHСh,карбонатные породы.
Прогноз экзогенных геологических процессов в особенности карста–одна из важнейших задач инженерной геологии, гидрогеологии и гидрогеохимии. Актуальность её исследования увеличивается по мере усиления техногенного воздействия человека на экосистему. Произошедшие аварии, связанные с карстопроявлением, свидетельствуют, что часто применяемые методы исследования хотя и весьма информативны, но не позволяют эффективно прогнозировать и предотвращать возможность карстобразования.Для решения проблемы предсказания неблагоприятного воздействия карста в настоящей работе предлагается применить метод термодинамического физикохимического моделирования. В качестве объекта исследования рассмотрена территория строящегосяКовровского сталепрокатного завода, расположенного в 9км к юго–востоку от г. Ковров (Ковровский район Владимирской области).Поверхностные проявления карста на территории Владимирская область по уточненным данным известны на площади 1V,1 тыс. км2, что составляет 55% территории области. По неполным данным с 1930 г. в области зафиксировано 58 случаев образования карстовых воронок и провалов [1].Так же были зафиксированы карстовые провалыи в соседней Нижегородской области. В г. Дзержинск 15 июля 1992 г. в 5:20 образовался катастрофический провал диаметром 32 м и глубиной 10 м под корпусом №1 завода «Дзержинскхиммаш».Последний зафиксированный карстовый провал произошел 10 апреля 2013годав п.Бутурлино Нижегородской области(рис. 1). Сначала образовалась воронка диаметром T0 м, после чего она разрослась до 85 м (глубина около 1T м).
Рис. 1.Карстовый провал в п. Бутурлино (2013 г.)
Постановка задачиПредметом рассмотрения являютсямассивы карбонатных пород гжельского яруса верхнего карбонана глубинах 10–20 и 50–V0 м,которые чаще всего, являются основанием для инженерных сооружений, или средой для размещения подземных коммуникаций в рассматриваемом районе. Выбор указанных интервалов актуален, в связи с тем, что они являются потенциально опасными с позиции карстообразования. В интервале 10–20 м отмечается контакт четвертичных и камменоугольных отложений и активноепоступлениеатмосферных осадков, насыщенных О2и СО2. На глубинах 50–60мзалегает уровень подземных вод гжельско–ассельского водоносного комплекса, колебаниякоторого способствуют карстообразованию и суффозии. Ковровский сталепрокатный завод будет крупным промышленным комплексом, при функционировании которого нельзя исключать формирование локальных очагов накопления агрессивных компонентов в метеорных и подземных водах. В условиях интенсивной эксплуатацииподземных вод для водоснабжения завода этот процесс может привести к изменению гидродинамических, гидрогеохимических и геотемпературных условий. И тем самым активизируется поступление агрессивной углекислоты и других химических соединений.В основе модели –детальный расчет состава водного раствора, равновесного с заданным составом вмещающих пород. Изменение состава раствора и породы в результате их взаимодействия при изменении внешних условий (температуры, состава поступающих в систему вод, содержания углекислоты и кислорода) является основой для прогнозирования процесса карстообразования.Геологическийразрез изучаемого массивадо глубины V0 м представлен отложениями четвертичного и верхнекаменноугольноговозрастов (рис. 2).Четвертичные отложения представляют собой комплекс водно–ледниковых и ледниковых отложений донского горизонта мощностью до 10 м.
Рис. 2.Схематический геологогидрогеологический разрез по скважинам 198с–2э:1 –четвертичный водоносный горизонт; 2 –водоносный карбонатный гжельско–ассельский комплекс; 3 –водоупорный щелковский терригенный горизонт;4 –скважина разведочноэксплуатационная (вверху номер ГВК, в знаменатели абс. отм. устья скважины);5 –уровень гжельско–ассельского водоносного комплекса (цифра вверху уровень подземных вод)
Верхнекаменноугольные образования сложены сильно трещиноватыми и закарстованными, а также часто окремненными, белыми, доломитизированными известняками и светлосерыми доломитами с тёмносерыми прослоями тонкозернистых глин, которые слагаютосновной (гжельско–ассельский –С3g–P1a)водоносный комплекс верхнего карбона [2].Район исследований находится в зоне развития как древнего, так и сравнительно молодого карста.Основной задачейчисленного эксперимента было определение равновесного фазового состава системы и сосуществующего с ней водного раствора при заданных элементном составе химической системы и внешних условиях (температура, давление, химические потенциалы вполне подвижных компонентов). Расчёт равновесных составов проводился с помощью программного комплекса HCh[3], предназначенного для исследования равновесий в мультисистемах. В расчётах использоваласьтермодинамическая база данных SUPCRT[4], основанная на уравнении состояния Хелгесона–Киркхэма–Флауэрса [5] для водных компонентов.
Исходные данные для физикохимического моделированияТермодинамическая модель была основана на рассмотрении равновесий в24–компонентой системе (AlBaBrCCaClCrCuFFeHKLiMgMnNNaNiOPbSSiSrZn), включающей в себя 5T минеральные фазы и 1T9компонентовводного растворакоторые могут возникнуть в системе. Коэффициент активности компонентов водного раствора рассчитывались по уравнению Дебая–Хюккеля в третьем приближении[6].Изучалось взаимодействие грунтовых вод и атмосферных осадков с породами карбонатного состава на разных глубинах. Вещественный состав карбонатных пород был определён в интервалеглубин10–20 и 50–V0 м по результатам разведочного бурения на участке, отведённом под строительство Ковровского сталепрокатного завода(табл.1).Таблица 1Результаты вещественного состава известняков в вес. %
Состав атмосферных осадков принят как средний для Владимирской области.
По химическому составу вода ультрапресная (М0,01 г/л). По Курлову воды имеют хлоридносульфатногидрокарбонатный кальциевый состав, рН5,8 (табл.2).
M0.01HCO332SO428Cl25Ca67[Na10Mg6]рH5,8.
(1)
Таблица 2Химический состав вод атмосферных осадков
Химический состав подземных вод гжельскоассельского водоносногокомплекса был принят по результатам лабораторных анализов проб воды. По химическому составу вода пресная (М0,3мг/л) гидрокарбонатная магниевокальциевая, рН7,0 (табл.3).Формула химического состава воды по Курлову:Известняк SiO2TiO2Al2O3Fe2O3MnOMgOCaOK2OСО2Глубина 10–20 м4,50,60,60,80,118,529,80,145,0Глубина 50–V0 м3,20,01,70,40,17,742,00,144,8Показатель Концентрация, мг/лHCO33,8SO42,64Cl1,7Са2+2,5Mg2+0,12NH40,59Na+0,29K+0,14pH5,8
M0.31HCO391SO428Ca54
Mg43рH7,0.
(2)
Таблица 3Химический состав вод гжельскоассельского водоносного комплекса
Результаты моделированияНиже рассмотрены результаты физикохимического моделирования системы карбонатные породы (интервал 10–20м) –атмосферные осадки и карбонатные породы (интервал 50–V0 м) –подземные воды.
Взаимодействие карбонатных пород с атмосферными осадками.Глубина 10–20 м.Моделирование выполнялось по следующей схеме. В первом варианте расчёта система рассматривалась как закрытаяпо отношению к углекислоте и кислороду атмосферы, т.е. атмосферные осадки, компонентный состав которых соответствуют табл.2,взаимодействовали с породами при условии постоянного количества поступившего в систему СО2и О2. Во втором варианте расчёта (открытая система) парциальные фугитивностигазов СО2и О2принимались постоянными, равными их давлениям в атмосфере fCO2= 3,3Па, fO2= 21000Па.Для выяснения влияния температуры на процессы карстообразованиярасчёт проводился при температурах 5 и 250С. Полученные в результате расчёта равновесные количества минеральных ассоциаций гематит–кварц–кальцит–доломит–родохрозит–калиевый–монтморилонит позволили рассчитать изменение объёма породы в процессе взаимодействия вода–порода. Изменение объёма породы приповышении температуры рассчитывалось по формуле:∆Vпор.=∑Vмин.(25℃)−∑Vмин.(5℃),
(3)где∑Vмин.(T)–общий объем породы, равный сумме объёмов минералов её составляющих, при температуре Т.Результаты расчета представлены в табл. 4.По выполненным результатам видно, что увеличение температуры (от 5 до 25 0С) в случаях открытой и закрытой системы приводит только к увеличению объёма пороПоказатель Концентрация, мг/лHCO3224,0SO410,0Cl3,0Са2+43,0Mg2+21,0NH40,1Na+1,8K+0,8Al3+0,01Ba2+0,025Cu2+0,0006Ni0,001NO34,8Sr2+0,05F0,330Cr3+0,007pH7,0ды, что отвечает кольматированию полостей в известняке, т.е. процесс карстообразования не наблюдается.
Таблица TРезультаты взаимодействия в системе вода–порода
Взаимодействие карбонатных пород с подземными водами
Глубина 50–V0 м.Аналогичная методика использоваласьпри моделировании взаимодействия карбонатных пород, залегающих на глубине 50–V0 м,с подземными водами, состав которых приведён в табл. 3.Равновесный минеральный состав породы при этом соответствовал ассоциации гематит–кварц–кальцит–доломит–родохрозит–калиевый–монтморилонит–каолинит.Результаты расчёта свидетельствуют, что увеличение температуры от 5 до 25 0С в закрытой системе приводит к незначительному увеличению объёма твёрдых фаз (на 0,02%)и, таким образом, не способствует карстообразованию.Второй вариант расчёта соответствует системе, открытой по отношению к атмосфере. В этом случае СО2и О2являлись вполне подвижными компонентами, а их парциальные фугитивности соответствовали атмосферным значением. Рассчитанный минеральный состава системы не изменился. При этомувеличение объёмаминеральных фаз составило 0,12 % при изменении температуры от 5 до 25 0С (табл.
4).Интересно сравнить также результаты расчётов в изотермических условиях для закрытой и открытой системы. «Открытие» системы по отношению к атмосфере уменьшает объем минеральной ассоциации на 2,T% при температуре 50С и на 2,9% при 250С (табл. 4), т.е. способствует образованию пустот в породе, что ведёт к карстообразованию.
ВыводыРезультаты численного экспериментапозволяют сделать ряд выводов об особенностях развития процесса карстообразования в карбонатных породах в разных условиях.1. Для исследуемого интервала глубин 10–20 м увеличение температуры не приводит к развитию карста: во всех исследуемых случаяхпроисходит увеличение объёма основных породообразующих минералов карбонатных пород, что отвечает кольматированию полостей в известняках.2. Активизация карстового процесса прогнозируется в исследуемом интервале глубин 50–V0 мпри возможностидоступа CO2и O2в систему (переход отзакрытой к открытой системе). В этом случае карбонатные породы могут быть подвержены процессу карстообразования, что вызовет осложненияпри сооружении свайных фундаментов глубокого заложения. В таком случаене рекомендуется использовать конструкцию фундамента в виде висячих свай (посколькуэто не является противокарстовым мероприятием). При неизбежности их использованиянеобходимыдополнительные инженерные изыскания или использование ленточных фундаментов или плитного монолитного железобетонного ростверка,объединяющего сваи.СистемаИзменение объема твердой фазы, %глубина 10–20 мглубина 50–V0 мЗакрытая 5–25 С0+0,001+0,02Открытая 5–25 С0+0,300+0,114Открытая–закрытая 5 С0+0,218
2,363Открытая–закрытая 25 С0+0,190
2,389Ссылки на источники1.Чурадаев В.Н. Информационный отчет по ведению государственного мониторинга состояния недр на территории Владимирской области. Владимир, 2012. 12Vс.2.ЯнкинВ.И. Поисковоразведочных работ с оценкой запасов пресных подземных вод для технического водоснабжения строящегося Ковровского сталепрокатного завода в Ковровском районе Владимирской области. М., 2011. 157с. 3.Шваров Ю.В. Hch: новые возможности термодинамического моделирования геохимических систем, предоставляемые Windows // Геохимия. 2008. № 8. С. 898–903.
4.JohnsonJ.W., Oelkers E.H., Helgeson H.C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molalthermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bars and 0to 1000C//Comp. Geosci. 1992. V. 18. P. 899–947.5.Tanger IV J.C., Helgeson H.C. Calculation of the thermodynamic and transport properties of aqueous species at high pressures and temperatures: revised equations of state for standard partial molal properties of ions and electrolytes // Amer. J. Sci. 1988. V. 288. P. 19–98. 6.Oelkers, E.H., and Helgeson, H. C.Tripleion anions and polynuclear complexingin supercritical electrolyte solution//Geochimica et Cosmochimica Acta, 1990 V. 54.P. 727–738.
Yury Gusev,graduate student hydrogeology Medical University“Russian State Geological Prospecting University Ordzhonikidze”(MGRIRGGRU), Moscow skifolog90@mail.ruNikolai Akinfiev,Doctor of Chemistry, Professor of Chemistry, Medical University “Russian State Geological Prospecting University Ordzhonikidze”(MGRIRGGRU), Moscow akinfiev@igem.ruakinfiev@igem.ruAlexander Lisenkov,Doctor of Geological and Mineralogical Sciences , Professor of Hydrogeology Medical University “Russian State Geological Prospecting University Ordzhonikidze”(MGRIRGGRU), Moscowlisenkov.rsgpu @ mail.ruThe investigation of the process of karst by methodof physical and chemical modeling on the territory on the territory of Kovrov plant of Vladimir regionAbstract. Carbonaceous rocks of one composition in various conditions (at different temperatures, in the presence of carbonic acid gas and oxygen) dissolve with diverse intensity. This phenomenon gives birth to negative physical and geological processes (karst often accompanied by suffusion). The thermodynamic model of interaction in the system of waterrock was created for study peculiarities of carbonaceous rocks` (dis) solution in various conditions. The equilibrium compositions of water solution and rock received as a result of modeling allow us to predict the processes of karst at by change external conditions.Keywords:karst,physical and chemicalmodeling,program HCh,carbonaceous rocks.
